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Ministère de l’éducation et de la formation Direction régionale de Gabès Corrig

Ministère de l’éducation et de la formation Direction régionale de Gabès Corrigé Série : Électrolyse : Transformations forcées Prof : Daghsni Said Classe : 4 ème Techniques Année : 2012-2013 Lycée : Taher El Hadded Matière : Sciences physiques Exercice n°2 : Purification du cuivre I/ 1/ Sur le schéma ci-contre on indique le sens du courant, le sens de déplacement des électrons, des ions positifs ( cations) des ions négatifs ( anions), l'anode et la cathode. 2/ L'électrolyse est une réaction d'oxydoréduction forcée ; elle nécessite un apport d'énergie sous forme d'énergie électrique. 3/ Les équations des transformations qui se déroulent aux électrodes sont : anode positive ( oxydation) : Cu (s) = Cu2+ + 2e-. cathode négative ( réduction) : Cu2+ + 2e- = Cu(s) 4/ L'équation de la réaction d'oxydoréduction qui se déroule dans l'électrolyseur est : bilan : Cu (s) + Cu2+ = Cu(s) + Cu2+ . 5/ anode soluble : le cuivre de l'électrode s'oxyde en ion Cu2+(aq) ; le métal de l'anode disparaît. 6/ lorsqu'un ion cuivre II est réduit à la cathode, un ion cuivre II apparaît lors de l'oxydation à l'anode : en conséquence la concentration en ion cuivre II ne change pas. II/ 1/ a plaque d'acier doit se recouvrir de métal cuivre : elle joue le rôle de cathode ; sur cette plaque d'acier les ions cuivre II sont réduits en cuivre. 2/ La quantité d'électricité Q qui a traversé le circuit pendant l'électrolyse en fonction de I et Dt est : Q= I Dt 3/ Q= ne NAe avec ne quantité de matière (mol) d'électrons et e : charge élémentaire ou NAe = 1 faraday : en valeur absolue, charge d'une mole d'électrons. 4/ A la cathode : Cu2+ + 2e- = Cu(s) d'où ne = 2 nCu par suite la quantité de matière de cuivre formé est: nCu= 1/2 ne=1/2 It /(NAe). 5/ La masse de cuivre déposée sur l'acier est : mCu=nCu M(Cu) = ½neM(Cu) = ½It M(Cu)/( NAe ) mCu=0,5*0,4*30*60*63,5 / (6,02 1023*1,60 10-19) = 2,37 10-1 g. 6/ explication de la variation de masse de la lame de cuivre |Dm|=2,41 10-1 g : Explication n°1 : dans la réalité, à la cathode d'autres espèces présentes ( H2O, ion oxonium) peuvent être réduites et concurrence un peu la réduction des ions cuivre II. Explication n°2 : l'anode étant constituée de cuivre impur, une partie de ces impuretés se retrouvent soit au fond de la cuve, soit dans la solution. En conséquence la masse de cuivre déposée est inférieure à la diminution de masse de l'anode. Exercice n°3 : Un bijou peu couteux 1/ Un dépôt d'argent doit être réalisé sur la bague en cuivre. Les ions argent Ag+(aq) sont réduit en argent métallique. Une réduction se déroule à la cathode de l'électrolyseur. Une réduction nécessite un apport d'électrons : la bague doit donc être reliée à la borne négative du générateur. 2/ L’oxydant H+(aq) est présent dans la solution, il peut subir une réduction à la cathode selon la demi-équation de réduction : 2H+(aq) + 2e–= H2(g) 3/ Les ions nitrate ne participant pas à l'électrolyse, À l’électrode en graphite (anode), il se produit une oxydation à l’origine d’un dégagement gazeux. Le seul réducteur présent est l’eau les molécules d'eau peuvent être oxydées en dioxygène : 2 H20(l) = 02(g) + 4H+(aq) + 4 e-. 4/ Réduction des ions argent : 4Ag+(aq) + 4 e-= 4 Ag(s) 2 H20(l) = 02(g) + 4H+(aq) + 4 e-. Ajouter ces deux demi-équations : © Daghsni Said 2012/2013 1 4Ag+(aq) + 4 e-+ 2 H20(l)= 4 Ag(s) + 02(g) + 4H+(aq) + 4 e-. Simplifier : 4Ag+(aq) + 2H20(l) = 4Ag(s) + 02(g) + 4H+(aq) . 5/a) Quantité d'électricité Q = I Δt avec Δt = 80.60 =4800 s et I = 0,024 A Q = 4800*0,024 =115,2 C d’où n(e-)=Q/F=115,2 / 96500 =1,194 10-3 ~ 1,2 10-3 mol. b) la quantité initiale d’ions Ag+, ni(Ag+), présents à la fermeture de l’interrupteur est : n(Ag+) = C V =4,00 x10-3 *0,500 =2,00 x10-3 mol. Compléter le tableau d’avancement . c) D'après les nombres stœchiométriques de la demi-équation : Ag+(aq) + e-= Ag(s) on a n(e-) = n(Ag+) = 4x = 1,2 10-3 d’où x = 1,2 10-3 / 4 = 3,0 10-4 mol. d) La masse d’argent m(Ag) déposée sur la bague en cuivre. m =n.M =4.x.M(Ag)=1,2.10-3.108 = 0,13 g Exercice n°4 : Étamage d’une casserole 1/a) Sur le schéma ci contre on indique le sens du courant électrique dans le circuit ainsi que le sens de circulation des porteurs de charge dans les conducteurs métalliques et dans la solution. Les cations se déplacent dans le sens des ions Sn2+ aq et les anions dans le sens des ions sulfate. b) L'électrolyse est une transformation forcée qui nécessite un apport d'énergie sous forme d'énergie électrique . 2/a) L'électrode A reçoit des électrons de la part du générateur. Lors d'une réduction, une espèce (l'oxydant ) gagne un ou des électron(s). Une réduction se produit à la cathode. B est donc une anode. b) Réduction des ion étain(II) suivant : Sn2+ aq + 2e- = Sn(s)cathode. On observe un dépôt d'étain sur l'électrode A : c'est le but recherché ; la casserole à recouvrir constitue donc la cathode A. c) Le métal étain de l'anode s'oxyde : Sn(s)anode = Sn2+ aq + 2e-. d) Sn2+ aq +Sn(s)anode = Sn(s)cathode +Sn2+ aq. Sn(s)anode = Sn(s)cathode Tout se passe comme s'il y avait un transfert de l'étain de l'anode sur la cathode. Pendant la même durée, il disparaît autant d'ion Sn2+ aq à la cathode qu'il en apparaît à l'anode : la concentration des ions Sn2+ aq reste constante dans la solution. 3/ L’intensité du courant électrique est maintenue constante pendant toute la durée ∆t de l’électrolyse et vaut I = 0,250 A. a) L’expression de la quantité d’électricité Q qui a traversé le circuit au cours de l’électrolyse est : Q = I ∆t avec I (A), ∆t (s) et Q ( coulomb) b) on a Sn2+ aq + 2e- = Sn(s)cathode. Les nombres stœchiométriques conduisent à la relation entre la quantité d’électrons n(e–) échangée et la quantité d’étain déposé sur le récipient: n(e-) = 2 n(Sn). c) La charge, en valeur absolue, d'une mole d'électrons est 1 faraday donc la relation entre la quantité d’électricité Q et la quantité d’électrons n(e–) échangés aux électrodes est : : Q = n(e-) F = 9,65 104 n(e-). d) on a Q = n(e-).F = 2.n(Sn).F or n(Sn) = mSn / MSn ( masse divisé par masse molaire) et ∆t = Q/ I donc ∆t =n(e-) F / I = 2 n(Sn)F / I =2mSnF / (I MSn ). la durée ∆t de l’électrolyse s'exprime, en fonction de la masse mSn déposée, par la relation ∆t = 2.mSn.F/I.Msn. 2 © Daghsni Said 2012/2013 4/a) Le volume d’étain nécessaire pour le dépôt est donné par la relation V = S e avec S =πD²/2 + 2πDH . S = 3,14 * 152/2 + 2*3,14*15*7,0 = 353,25+659,4=1012,65 cm2. e = 20 10-4 cm d’où V = S e = 1012,65 * 20 10-4 =2,0253 ~2,0 cm3. b) La masse volumique de l’étain est ρ= 7,30 g.cm-3. La masse d’étain nécessaire est : m = r v = 7,30 * 2,0253 = 14,78 ~15 g. c) La durée minimale de l’électrolyse pour réaliser ce dépôt est : ∆t =2mSnF / (I MSn ) = 2*14,78 *9,65 104 /(0,250*119) = 9,59 104 ~ 9,6 104 s. Exercice n°5 : Importance de l'eau oxygénée 1/ Les cations présents en solution ( H+ aq) se déplacent comme les ions Na+ aq ; les anions présents en solution ( HO- aq) se déplacent comme les ions chlorure. On obtient un dégagement de dichlore à l'anode et de dihydrogène à la cathode. 2/ Les demi-équations des réactions se produisant aux électrodes. anode, oxydation des ions chlorures : 2Cl-aq = Cl2(g) + 2e-. cathode, réduction de H+aq (ou de l'eau ): 2H+aq +2e- = H2(g). 3/ Exprimons de deux manière différentes la quantité d'électricité notée Q : Q = I.∆t avec I en ampère, ∆t en seconde et Q en coulomb (C). La charge, en valeur absolue d'une mole d'électrons est égale à NA e ; la charge, en valeur absolue de n(e-) moles d'électrons est : n(e-)NA e. Par suite : Q = I.∆t = n(e-)NA e. (1) Or 2H+aq +2e- = H2(g) ; les coefficients stœchiométriques conduisent à : n(H2) = ½n(e-). Enfin volume de dihydrogène est : VH2 =n(H2) Vm = ½n(e-) Vm donc n(e-)=2.VH2/Vm la relation (1) donne : I.∆t = 2.NA.e.VH2/Vm d’où pour une intensité du courant I et une durée de fonctionnement ∆t données, le volume de dihydrogène produit à la cathode s’écrit : VH2 = I.∆t.Vm/(2.NA.e). 4/ L’intensité du courant vaut I = 5,00.104A, Le volume de dihydrogène produit par heure de fonctionnement est : VH2 = 5,00 104 * 3600*30,0 / (2*6,02 1023*1,60 10-19) =2,80 104 L = 28,0 m3. Exercice n°6 : Électrolyse d’une uploads/Finance/ correction-de-serie-electrolyse-transformations-forcees.pdf